Кондиционирование воздуха на подводных лодках
Вопросы кондиционирования воздуха жилых и общественных зданий с жесткими требованиями к внутреннему микроклимату часто представляют определенные трудности для специалистов. Всегда интересно рассмотреть предельный случай применения установок кондиционирования, одним из проявлений которого является отсутствие возможности использования наружного воздуха. Этот предельный случай позволяет специалисту отойти от привычных традиционных взглядов, подходов и дает возможность прийти к новым техническим решениям.
Современные подводные лодки, такие как, например, субмарина «Seawolf» (SSN-21) («Морской волк»), входящая в состав Военно-морских сил США, являются сосредоточением самых современных разработок, в т. ч. в области систем климатизации. Такие суда обычно эксплуатируются в погруженном состоянии, но при необходимости они функционируют как обычные надводные корабли.
Так как современная подводная лодка в обычном погруженном состоянии не может обновлять свой внутренний воздух свежим атмосферным воздухом, на ней должна быть создана искусственная среда. Так как лодка может находиться под водой долгое время, одной из самых насущных проблем для людей, находящихся на борту субмарины, является создание комфортной и здоровой среды обитания. Именно такие задачи ставятся перед разработчиками судовых систем ОВК и холодильных систем.
Как могут быть решены эти проблемы? Какое оборудование разработано для создания и поддержания искусственной среды, в которой продолжительное время должна находиться команда из более чем 100 человек? Как контролировать эту среду? И каким образом это оборудование и соответствующие методы отличаются от оборудования и способов решения подобных задач в современных, стоящих на берегу зданиях с системами кондиционирования воздуха?
Для ответа на указанные вопросы в этой статье рассматривается оборудование, технологии и методы создания искусственной среды на подводных судах.
Проектирование систем кондиционирования воздуха
Применяемые на современных подводных лодках ядерные установки представляют собой практически неограниченный источник энергии. Кроме этого, лодки оборудованы аккумуляторными батареями и вспомогательным дизельным двигателем, который может использоваться вместо ядерной установки. Когда лодка находится вблизи водной поверхности, воздух для дизеля может забираться из атмосферы. При этом кондиционированный воздух может подаваться для дыхания команды и для других нужд, для которых требуется свежий воздух. В доках или у причала используется вспомогательное береговое оборудование, с помощью которого производится замена внутреннего воздуха лодки. Внутреннее пространство лодки может вентилироваться, обогреваться, воздух может кондиционироваться или охлаждаться при помощи специально разработанных для подводных лодок вариантов оборудования, аналогичного используемого в современных зданиях.
Однако, когда судно находится под водой, внутренняя атмосфера должна поддерживаться достаточно длительное время, в течение которого лодка должна находиться в погруженном состоянии, чтобы не быть обнаруженной.
Теперь представим себе сложность выполнения этой задачи на такой субмарине, как «Seawolf». Она «забита» различными материалами и оборудованием поддержания тепловых параметров и удаления отработанных газов. Мы знаем, что имеющийся в ней воздух сильно загрязнен – 130 человек месяцами находятся в цилиндре длиной 108 м и шириной 12 м. Помимо этого, кроме загрязнений от оборудования разработчики систем ОВК должны учитывать образующийся мусор, пух от белья, загрязнения, вырабатываемые при приготовлении пищи, запахи человеческих тел, сточные воды и утечки химических веществ.
В научной литературе трудно найти сведения о тепловых нагрузках и расходе холода на «Seawolf», однако на основании опыта эксплуатации ядерных подводных лодок подобного класса могут быть сделаны некоторые предположения о размерах и типе установленного на этой лодке оборудования кондиционирования воздуха, а также о возможном расходе холода. На основании этих данных могут быть рассмотрены такие факторы, как тепловые нагрузки от электронного или электрического оборудования, параметры главной энергетической установки, численность команды и размеры корпуса.
При расчете тепловой нагрузки важно знать, охлаждается ли электрооборудование обычной или охлажденной водой. Должны учитываться такие непредвиденные аварийные факторы, как утечки пара или энергетические потери. При определении параметров вентиляторов и охлаждающих теплообменников для удовлетворения требований нормативов по уровню температуры и влажности должны учитываться факторы комфортности среды в машинном отделении и жилых помещениях. Для обеспечения здоровой среды обитания в замкнутом пространстве подводной лодки должны быть решены проблемы со всеми внутренними загрязняющими веществами.
Вероятнее всего, субмарина «Seawolf» оснащена двумя судовыми комплектами, каждый из которых включает два центробежных охладителя.
Когда лодка находится на ходу, обычный максимум расхода холода составляет от 528 до 703 кВт. Возможно, на лодке можно было бы обойтись и одним комплектом, но обычная нагрузка разделяется на два комплекта охладителей. Второй судовой комплект, скорее всего, служит в качестве резерва. Энергию для первичных двигателей охладителей обеспечивают судовые служебные генераторы. Устройство для обработки воздуха предоставляет различным центрам потребления электрической энергии воздух с контролируемой температурой для надлежащего регулирования влажности и температуры. Вероятнее всего, в значительной степени используется тепло, выделяемое электрооборудованием.
Вероятно, внутренний объем «Seawolf» составляет от 9 000 до 11 300 м 3 . Если показатель расхода холода равен 703,4 кВт, удельный расход холода составляет 0,07 кВт/м 3 .
Используемое оборудование
Так как пар и электроэнергия имеются в избытке, обогрев горячей водой, паром не представляет проблемы. Для охлаждения ранее широко использовались абсорбционные машины, работающие на бромиде лития, а также центробежные охладители. Другое используемое в промышленности оборудование, такое как ротационные винтовые компрессоры, спиральные компрессоры, насосы, вентиляторы и электронные фильтры, также заслуживает внимания разработчиков оборудования для подводных лодок. Важнейшей характеристикой такого рода оборудования является способность контролировать температуру и влажность во всех помещениях и отсеках, а также возможность поддержания необходимых параметров среды в изолированных отсеках при аварии. Это, в свою очередь, определяет необходимость использования централизованной системы управления при наличии избыточного резервного оборудования.
Так как в подводной лодке должна обеспечиваться рециркуляция воздуха и должно поддерживаться необходимое качество воздуха во внутреннем пространстве, чрезвычайную важность приобретают функции фильтрации и жесткого контроля загрязняющих веществ. Для этого требуется специальное оборудование, вырабатывающее кислород из морской воды, отделяющее углекислый газ от рециркулируемого воздуха и отфильтровывающее из него нежелательные газы.
На уровне моря сухой атмосферный воздух состоит приблизительно из 78 % азота, 21 % кислорода и небольшого количества углекислого газа, озона и инертных газов. Максимальное содержание воды составляет 4 % (в тропиках). На подводных лодках поддерживается указанный процентный состав внутреннего воздуха при помощи перечисленного ниже оборудования.
Установка удаления СО2
Системы обеспечения кислородом
Когда лодка находится в погруженном состоянии, кислород может пополняться в контролируемых объемах из таких источников, как кислородные установки, запасы кислорода, кислородные свечи. Кислородная установка представляет собой неограниченный источник безопасного кислорода для дыхания, вырабатываемого в процессе электролиза воды с использованием твердых полимерных электролитных ячеек. Насыщенная катализатором пластиковая диафрагма служит в качестве электролита и сепаратора. Установка имеет микропроцессорное управление, время ее цикла останова, промывки, повторного запуска и выхода на полную мощность составляет около 15 минут. Вырабатываемый установкой кислород может подаваться в отсеки лодки или собираться в кислородном хранилище, а получаемый попутно водород удаляется безопасным образом.
Система удаления углекислого газа (CO2)
В погруженном состоянии подводной лодки углекислый газ обычно удаляется газоочистителями СО2. В чрезвычайных ситуациях могут также использоваться контейнеры с гидратом окиси лития. В газоочистителях для удаления СО2 используется раствор моноэтаноламина (МЕА). Процесс очистки производится в поглотителе при соприкосновении воздуха с рециркулирующим МЕА, а также при контакте выделяемого пара и СО2 с ниспадающим МЕА в отпарной секции котла. Так как моноэтаноламин является коррозийным и токсичным веществом, необходимо соблюдать чрезвычайную осторожность, чтобы он не попал в воздух.
Аппарат для электростатического осаждения
Для удаления частиц размером в один микрон и меньше применяются аппараты для электростатического осаждения. Ионизированные пластины заряжают взвешенные частицы, которые затем собираются на пластинах заземления. Загрязненные пластины периодически очищаются ультразвуком или в очистных станциях. Так как аппараты для электростатического осаждения являются потенциальными источниками озона вследствие образования электрической дуги, для предотвращения искрения работа аппаратов электростатического осаждения должна производиться при надлежащем напряжении, при этом необходимо соблюдать все необходимые установочные параметры.
Аппараты осаждения масляного тумана
Присутствующий в воздухе масляный туман из поддонов машинного масла турбогенераторов и из выпускных отверстий корпусов подшипников удаляется аппаратом осаждения тумана. Так же как и аппарат электростатического осаждения, этот аппарат формирует на частицах масла подаваемого в него воздуха положительный заряд. После этого частицы осаждаются на заземленный проходной изолятор и стекают обратно в масляный поддон.
Предварительные фильтры
Предварительные фильтры используются для предотвращения попадания в аппараты осаждения крупных частиц (больших 10 микрон).
Топка для угарного газа и водорода (СО-Н2)
Существенной частью системы очистки воздуха в подводной лодке является топка СО-Н2, используемая для уменьшения содержания угарного газа, водорода и углеводородных загрязнений. В топке СО-Н2 используется каталитическое горение, в результате которого угарный газ преобразуется в углекислый газ и воду. Нагретый воздух пропускается над слоем материала, называемого гопкалит. Если на борту произойдет утечка хладагента, топка СО2 среагирует на эту утечку. Однако частичное окисление углеводородов, проходящих над катализатором, а не через него, может привести к образованию токсичных побочных продуктов. Хлорированные хладагенты, такие как R-12 и R-114, образуют токсичные компоненты HF и HCl допустимого уровня концентрации, а нехлорированные хладагенты, например R-134a и R-236fa, образуют токсичные компоненты при температуре 316 °C, хотя до температуры 260 °C уровень их концентрации можно признать допустимым. На рис. 3 показана схема потока воздуха через типичную топку СО2.
Топка угарного газа и водорода
Фильтры из карбоната лития
Для дальнейшего поглощения продуктов разложения кислотами (HF и HCl) далее по потоку СО2 расположен фильтр из карбоната лития. Часто слой карбоната лития возобновляется благодаря образованию на подводной лодке этого вещества при прохождении углекислого газа над контейнером с LIOH. Имеющийся на рынке карбонат лития не используется.
Фильтры с активированным углем
Активированный уголь из скорлупы кокосовых орехов используется для удаления загрязняющих газов в процессе капиллярного притяжения и поглощения. Поглощение является доминирующим процессом для органических компонентов, например углеводородов. Пределом задерживающей способности угля в обычных условиях вентиляции является практический предел насыщения. Так как процесс поглощения в угле приводит к замещению газа или пара с меньшим молекулярным весом газом или паром с большим молекулярным весом, основной слой угля может утрачивать свою способность удалять из атмосферы подводной лодки нежелательные компоненты с меньшими молекулярными весами. Когда устанавливается, что уголь достигает насыщения, он должен быть заменен на имеющийся в запасе свежий угольный фильтр. Активированный уголь используется в главной вентиляционной системе, в фильтрах туалетных помещений, гигиенических вентиляционных каналах, в фильтрах санитарно-технических каналов.
Система вентиляции
На подводной лодке система вентиляции выполняет также функции обогрева и кондиционирования воздуха. Она распределяет кондиционированный воздух по всем отсекам подводной лодки. В системе циркулирует охлажденный, нагретый и осушенный воздух. Система вентиляции выводит из помещений воздух, подает загрязненный воздух на механические фильтры, аппараты электростатического осаждения, фильтры с активированным древесным углем, в систему удаления СО2 и в топки СО-H2. Она выравнивает концентрацию атмосферных газов и осуществляет циркуляцию воздуха с восстановленными параметрами. Когда подводная лодка находится в надводном или полупогруженном состоянии, система вентиляции поставляет воздух для дизельного двигателя, приточного вентилятора низкого давления и для возобновления воздуха для дыхания. Она вентилирует отсек аккумуляторных батарей, производит циркуляцию холодного осушенного воздуха в отсеках управления ракетным оружием и навигационного оборудования, производит аварийную вентиляцию с выводом отработанного воздуха за борт и снижает концентрацию кислорода на устройствах подачи кислорода, распределяя его по всем помещениям подводной лодки.
Контроль источников загрязнения
Несмотря на наличие надлежащего оборудования, наиболее эффективным способом уменьшения или устранения токсичных загрязнений в атмосфере подводной лодки является применение детально разработанной программы контроля источников загрязнений. Такая программа должна включать проверку и контроль материалов, а также неукоснительное соблюдение внутреннего распорядка. Например, летучие углеводороды, такие как разлитое машинное или гидравлическое масло, либо утечки дизельного топлива должны немедленно устраняться для уменьшения количества веществ, которые могут распространяться по воздуху.
Заключение
Опыт использования на подводных лодках описываемого выше оборудования показывает, что концентрация углеводородов может быть обеспечена на уровне одной или двух частей на миллион. Это может быть реализовано при надлежащей дисциплине ведения внутреннего распорядка, контролировании использования растворителей, при отказе от использования масляных красок и при неукоснительном выполнении требований к процедуре окраски перед началом работы в герметичной среде лодки. Должны применяться превентивные меры, включающие строгий надзор и учет всех приносимых на борт материалов, учет времени и места использования материалов, контроль количества применяемых материалов.
Это только некоторые из инструментов, имеющиеся у разработчиков и создателей безопасной и здоровой среды на подводной лодке.
Качество внутреннего воздуха на подводной лодке может контролироваться при помощи инфракрасных спектрофотометров, приборов масс-спектроскопии, устройств определения парамагнитных свойств, теплопроводности, фотоионизации, колориметрических данных. Результаты анализов могут сравниваться с ранее полученными данными и использоваться для определения надлежащих процедур технического обслуживания, таких, например, как замена фильтров с активированным углем. Для проведения замеров на борту используется множество приборов, основанных на указанных принципах.
Применяются следующие приборы: центральный монитор контроля атмосферы, анализатор газовых примесей, водородный детектор, портативное устройство контроля параметров атмосферы, портативный кислородный анализатор, шахтный индикатор безопасности, трубки колориметрического анализа, насосные тестеры. Эти приборы могут использоваться как перед погружением, так и во время погружения лодки. Они могут применяться во время пожара для обнаружения мест, которые не затронул огонь, или для контроля мест, в которых производится работа с хладагентом.
В настоящее время имеется множество типов специализированных подводных лодок. Их предназначением может быть не только выполнение патрулирования и других специальных задач для сохранения мира. Однако, по крайней мере, часть описанного выше оборудования или его видоизмененные варианты должны использоваться на борту, чтобы экипаж подводной лодки мог выполнять свою работу в безопасной среде. И применение этого оборудования будет расширяться, т. к. человечество будет продолжать проводить исследования и расширять использование глубин мирового океана.
Литература
1. Foltz D. The design of air conditioning and ventilating systems for nuclear submarines since Nautilus. 1990. (Описывается история разработок систем кондиционирования воздуха на подводных лодках, начиная с «Наутилуса», рассматриваются факторы, влияющие на выбор оборудования.)
2. Smith D., Ung K. Leveraging active submarine force and new attack submarine hazardous material control and minimization programs. (Описываются и оцениваются материалы, предлагаемые для использования в замкнутой среде подводной лодки: клеи, краски, растворители и изоляционные материалы.)
3. Weathersby P. K., Lillo R. S. Assumptions in setting air quality standards for naval undersea environments. 1996. (Дается описание безопасных уровней воздействия многих токсических веществ.)
4. Jones L. B. The tourist submarine industry. (Дается сводка разработок средств погружения. В список таких средств включены 48 специально построенных туристических подводных лодок и семь коммерческих глубоководных аппаратов, перестроенных для взятия на борт пассажиров. Каждый год эти подводные лодки и аппараты обслуживают около двух миллионов пассажиров, желающих наблюдать подводный мир из среды с кондиционированным воздухом.)
Перевод с английского Л. И. Баранова.
откуда на подводной лодке берут кислород если не всплывают по 4 месяца?
Вдыхая воздух, наши тела поглощают кислород и превращают его в углекислый газ. Выдыхаемый воздух содержит 4,5 процента углекислого газа. Подводная лодка – это своего рода герметический контейнер с людьми и ограниченной подачей воздуха, поэтому необходимо выполнить следующие три пункта для поддержания воздуха пригодного для дыхания.
* 1. необходимо рассчитать потребление кислорода. Если процентное отношение кислорода слишком падает, то наступает удушье.
* 2. из воздуха необходимо удалить углекислый газ, т.к., когда повышается концентрация углекислого газа, то он становится ядовитым.
* 3. вдыхаемый воздух не должен содержать повышенную влажность.
Кислород могут поставлять в резервуарах, кислородных генераторах ( где кислород получают за счет электролиза воды), или в определенных «кислородных канистрах» ( кислород получают в результате химической реакции). Подача кислорода может происходить постоянно благодаря компьютерной системe, которая отслеживает процентное содержание кислорода в воздухе, или определенными партиями в течении дня. Углекислый газ можно выводить и химическим путем, добавляя натронную известь (смесь едкого натра и окиси кальция) в газоочиститель. Натронная известь поглощает углекислый газ в результате химической реакции и удаляет его из воздуха.
Избавиться от влажности можно с помощью влагопоглотителя или химическим путем. Таким образом можно предотвратить скопление влажности на стенах и оборудовании подводной лодки. знаю, что многие методы жизнеобеспечения, применяемые на подводных лодках, используются и в космосе. Увы, все, что связано с концентрированным (жидким, сжиженным и т.д.) кислородом, пожароопасно.
атомная энергия признана более пригодной для подводных лодок. И поскольку атомные генераторы не используют кислород, атомные подводные лодки могут находиться под водой гораздо дольше. Также, поскольку атомное топливо расходуется не так быстро, как дизельное топливо (в течении нескольких лет), то атомная подводная лодка может не всплывать на поверхность или не заходить в порт для заправки достаточно долгое время.
Жизнь под водой
О подводных лодках я узнал будучи в возрасте младшего школьника. Не то в фильме увидел, не то в книжке прочитал. Тогда подводная лодка показалась мне жутко интересной военной машиной, но при этом какой-то нежилой, будто автоматической. Став школьником, я размышлял: а как подводники живут на лодке? Как едят, спят, ходят в туалет?
А совсем недавно меня, уже взрослого, поразил тот факт, что автономка (так на морском сленге называется боевая служба экипажа корабля) может продлиться до шести месяцев без всплытия! Да и, оказывается, всплывать современным подводным лодкам необходимо только для того, чтобы пополнить запасы продовольствия и сменить уставший экипаж. Подумайте, насколько матросам непросто в замкнутом пространстве прожить полгода! Ведь практически все современные лодки снабжены арсеналом, способным легко уничтожить Великобританию, а каюты матросов находятся всего в нескольких десятках метров от ядерного реактора. Курсы следования, естественно, простыми тоже не бывают. Плавают и подо льдами Северного Ледовитого океана, и по мелководью. Есть риск при встречах с боевыми кораблями других государств. Одним словом, опасностей хватает.
Вот так, по нескольку месяцев не всплывая, и бороздит подводная лодка моря и океаны. А как же обустроен быт экипажа из 100 (а иногда и 160-ти) человек этого железного зверя? Нас, конечно же, в первую очередь интересует решение инженерных вопросов, связанных с водоснабжением, канализацией и вентиляцией. Как устроен туалет или по-морскому — гальюн? Как восполняются немалые резервы воды и воздуха в замкнутом пространстве подводной лодки? Вообще, какими санитарно-техническими приборами оборудованы современные подводные лодки?
Гальюн
Поразмышляв над тем, куда деваются отходы жизнедеятельности от ста человек экипажа, накопленные не за один месяц, быстро приходишь к выводу, что возить их с собой трудно (это какие ж должны быть ёмкости!). Так что конечный пункт их прибытия или, точнее сказать — выбытия, понятен — синее море. Вопрос: каким способом?
Гальюнов на подводных лодках два: надводный и подводный. Надводным пользуются, когда лодка идет в надводном положении или стоит на якоре. Потребность в подводном гальюне возникает, как правило, в подводном положении.
Выглядит гальюн подводной лодки как туалет вагона поезда. Его стенки обшиты стальными листами, имеется унитаз и педаль смыва. Но за борт содержимое унитаза выбросить не так просто, как, например, в поезде, где нажал на педаль — и содержимое на шпалах или же в баках, как в биотуалетах. Сперва нужно создать внутри лодки давление большее, чем за бортом. Ведь в море на глубине нескольких сотен метров давление за бортом такое, что при использовании системы, применяемой в поезде, лодка немедленно пойдет ко дну. Соль же в том, что отходы жизнедеятельности собираются в специальный баллон, который периодически продувается воздухом под давлением прямо в море. И если по недосмотру нажать на смыв в тот момент, когда давление в системе будет выше, чем в помещении, то содержимое унитаза с большим ускорением полетит совсем в неожиданную сторону.
Поэтому отличие подводного туалета от туалета поезда в том, что в гальюне много различных вентилей, захлопок и манометров. Поэтому же поход туда напоминает подготовку пилота самолёта к полёту. Не выполнишь ряд необходимых технических действий — и простой поход в туалет может привести, как это ни абсурдно звучит, к локальной санитарной катастрофе! К тому же, лодка ведь не просто чудо военной техники, а чудо, призванное действовать скрытно, и, конечно, гальюн работает абсолютно бесшумно на любой глубине погружения, вплоть до предельной.
А как же мыться?
На современных подводных лодках для экипажа созданы поистине комфортные условия. Возьмём, к примеру, тяжёлые ракетные подводные крейсеры стратегического назначения проекта 941 «Акула». Здесь есть и душевые кабины, и спортзал с сауной, обшитой дубовыми досками, и солярий, и даже маленький бассейн для плавания размером 2х4 метра, который наполняется солёной или пресной водой. В каютах для командного состава установлены системы кондиционирования и телевизоры. Плавучий «Хилтон» — так шутливо-горделиво моряки прозвали этот тип лодок.
Стирка на подводной лодке, как правило, не предусмотрена. После душа морякам выдают комплекты чистой одежды.
Чем дышать?
Теперь о воздухе. Человек за час в среднем потребляет 25-28 литров кислорода, а выдыхает 20-25 литров углекислого газа. Естественно, что на подводной лодке никак не обойтись без специальных систем регенерации воздуха. На подлодках запасы кислорода пополняют, производя реакцию электролиза морской воды. Образующийся при этом водород безопасно удаляют. С углекислым газом справляются специальными газоочистителями СО2. Существуют еще несколько фильтров, которые служат препятствием для прочих ядовитых газов, летающих в воздухе частиц, масляного тумана, запахов и пр.
Прочие системы
На подводных лодках имеются системы пресной воды, мытьевой воды и мусоровыброс.
Пресная вода на субмаринах используется и для питья, и для умывания, и для приготовления пищи. Хранится пресная вода в специальных ёмкостях, а пополняется опреснительной установкой. Как правило, умывальники подлодок имеют два вентиля: один открывает холодную пресную воду, другой — горячую солёную (мытьевую). На камбуз (кухню) вода подаётся через фильтры, очищающие её от случайных примесей и придающие ей хорошие вкусовые качества. Если подаётся дистиллированная вода с опреснительных установок, то в фильтре она обогащается необходимыми солями.
Система мытьевой воды подаёт нагретую морскую воду из систем водяного охлаждения к умывальникам, душу и на камбуз для первичной мойки посуды. Забортная вода подогревается до 30-40°С. Трубопровод для мытьевой воды обычно выполняется из медных цельнотянутых труб.
Среда жизнедеятельности экипажа подлодок максимально приближена к условиям на суше. Соответственно, копится различный мусор. Подводная же лодка не может позволить себе роскошь таскать кучи отбросов до окончания плавания. Да и санитарно-гигиенические нормы нельзя нарушать. Как вы уже догадались, мусор выбросить на подводной лодке тоже не так-то просто. Поэтому мусоровыбрасывающее устройство для избавления от камбузных отходов и прочих остатков тоже должно надёжно срабатывать на глубине. Устройство представляет собой прочный бункер, работающий как шлюзовая камера на космическом корабле. Сначала в него закладывается измельченный мусор, затем он закрывается, заполняется забортной водой и продувается сильной струёй воздуха. Естественно, моряки не сбрасывают в море консервные банки и бутылки.
Смотря на великолепные технические решения в подводных лодках, восхищаясь инженерной мыслью, понимаешь, что для человека ничего невозможного на свете нет. Какую только среду обитания человек не покорил: и подводный мир, и поверхность океана, и воздушное и орбитальное пространства! Что на очереди? Открытый космос? Другие планеты? Поживем — увидим!
Техника и технология поддержания жизни в замкнутом пространстве Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»
ЗАМКНУТЫЕ СИСТЕМЫ / ЖИЗНЕОБЕСПЕЧЕНИЕ / ЭЛЕКТРОЛИЗ / КИСЛОРОД / ДИОКСИД УГЛЕРОДА / ВОДОРОД / МЕТАНОЛ / СИНТЕЗ / КАТАЛИЗАТОР / РЕАКТОР / ВОДНЫЙ ОБЪЕКТ / CLOSED SYSTEMS / LIFE SUPPORT / ELECTROLYSIS / OXYGEN / CARBON DIOXIDE / HYDROGEN / METHANOL / SYNTHESIS / CATALYST / REACTOR / WATER OBJECT
Аннотация научной статьи по химическим технологиям, автор научной работы — Клюшенкова Марина Ивановна, Назаров Вячеслав Иванович, Попов Александр Павлович
Рассмотрены проблемы поддержания жизни в замкнутом пространстве подводных лодок. Проведен анализ электролитического способа получения кислорода . Даны рекомендации по усовершенствованию системы обеспечения персонала лодки кислородом . Дана блок-схема получения кислорода с использованием в качестве электролита 15-20-процентного раствора карбоната калия, что позволяет организовать энергоэкономичную замкнутую схему. Утилизации в этой схеме подлежат газы: водород и диоксид углерода , поступающие на синтез метанола . На существующих подводных лодках, где используются аналогичные технологии производства кислорода , синтез метанола проводят на твердом медно-цинковом катализаторе при давлении 3,6 МПа и температуре 270 °С. В данной работе предлагается заменить двухфазную систему синтеза метанола на трехфазную, более экономичную: синтез метанола проводить в реакторе , заполненном инертной углеводородной высококипящей жидкостью, в которой во взвешенном состоянии находится медно-цинковый катализатор, что создает большую поверхность контакта с синтез-газом и обеспечивает выход метанола за один цикл на 15-20 % выше, чем в двухфазной системе (4-5 %). Наличие углеводородной жидкости и ее циркуляция ( реактор котел утилизатор) позволяет проводить синтез метанола в автотермичном режиме. Снижение гидравлического сопротивления в реакторе позволяет уменьшить уровень давления и проводить синтез при давлении 3 МПа. С учетом того, что процесс синтеза проходит в замкнутом объеме, практически нет износа катализатора . Трехфазная система экологически безопасна при использовании ее в системе жизнеобеспечения подводной лодки. Представлена блок-схема трехфазной технологии синтеза метанола , разработаны конструкции основных аппаратов: реактор синтеза , теплообменное и конденсационное оборудование.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Похожие темы научных работ по химическим технологиям , автор научной работы — Клюшенкова Марина Ивановна, Назаров Вячеслав Иванович, Попов Александр Павлович
Комплексная переработка природного газа в химической промышленности
Комплекс получения синтез-газа для малотоннажного производства метанола
Оптимизация состава синтез-газа для малотоннажного производства метанола
Износоустойчивый катализатор конверсии метана и синтеза метанола для реакторов с кипящим слоем
Технология одностадийного синтеза диметилового эфира из природного газа
i Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
TECHNIQUE AND TECHNOLOGY OF MAINTAINING LIFE IN A CONFINED SPACE
The problems of maintaining life in the closed space of submarines are considered. The analysis of the electrolytic method of obtaining oxygen . Recommendations on improving the system of oxygen supply for boat personnel are given. A flowchart of oxygen production using a 15-20 % potassium carbonate solution as an electrolyte is given, which makes it possible to organize an energy-saving closed circuit. In this scheme, the following gases are subject to utilization: hydrogen and carbon dioxide supplied to methanol synthesis . On existing submarines, where similar technologies of oxygen production are used, methanol synthesis is carried out on a solid copper-zinc catalyst at a pressure of 3.6 MPa and a temperature of 270 ° C. In this paper, it is proposed to replace the two-phase methanol synthesis system with a three-phase, more economical one. Synthesis of methanol is carried out in a reactor filled with an inert hydrocarbon high boiling liquid, in which the copper-zinc catalyst is suspended, which creates a large contact surface with synthesis gas and provides methanol output in one cycle up to 15-20 %, higher than in the two-phase system (4-5 %). The presence of hydrocarbon liquid and its circulation (reactor-boiler-utilizer) allows the synthesis of methanol in the autothermal mode. Reducing the hydraulic resistance in the reactor allows to reduce the pressure level and carry out the synthesis at a pressure of 3 MPa. Taking into account that the synthesis process takes place in a closed volume, there is practically no wear of the catalyst . The three-phase system is environmentally safe when used in the life support system of a submarine. A block diagram of a three-phase system of methanol synthesis is presented, and the structures of the main apparatus are developed: synthesis reactor , heat exchange and condensation equipment.
Текст научной работы на тему «Техника и технология поддержания жизни в замкнутом пространстве»
МОРСКОГО И РЕЧНОГО ФЛОТА ИМЕНИ АДМИРАЛА С. О. МАКАРОВА
TECHNIQUE AND TECHNOLOGY OF MAINTAINING LIFE IN A CONFINED SPACE
M. I. Klyushenkova, V. I. Nazarov, A. P. Popov
NIC «Kurchatov Institute» — IREA, Moscow, Russian Federation
The problems of maintaining life in the closed space of submarines are considered. The analysis of the electrolytic method of obtaining oxygen. Recommendations on improving the system of oxygen supply for boat personnel are given. A flowchart ofoxygen production using a 15-20 % potassium carbonate solution as an electrolyte is given, which makes it possible to organize an energy-saving closed circuit. In this scheme, the following gases are subject to utilization: hydrogen and carbon dioxide supplied to methanol synthesis. On existing submarines, where similar technologies of oxygen production are used, methanol synthesis is carried out on a solid copper-zinc catalyst at a pressure of 3.6 MPa and a temperature of 270 ° C. In this paper, it is proposed to replace the two-phase methanol synthesis system with a three-phase, more economical one. Synthesis of methanol is carried out in a reactor filled with an inert hydrocarbon high boiling liquid, in which the copper-zinc catalyst is suspended, which creates a large contact surface with synthesis gas and provides methanol output in one cycle up to 15-20 %, higher than in the two-phase system (4-5 %). The presence of hydrocarbon liquid and its circulation (reactor-boiler-utilizer) allows the synthesis of methanol in the autothermal mode. Reducing the hydraulic resistance in the reactor allows to reduce the pressure level and carry out the synthesis at a pressure of 3 MPa. Taking into account that the synthesis process takes place in a closed volume, there is practically no wear of the catalyst. The three-phase system is environmentally safe when used in the life support system of a submarine. A block diagram of a three-phase system of methanol synthesis is presented, and the structures of the main apparatus are developed: synthesis reactor, heat exchange and condensation equipment.
Keywords: closed systems, life support, electrolysis, oxygen, carbon dioxide, hydrogen, methanol, synthesis, catalyst, reactor, water object.
Klyushenkova, Marina I., Vyacheslav I. Nazarov, and Aleksandr P. Popov. «Technique and technology of
maintaining life in a confined space.» Vestnik Gosudarstvennogo universiteta morskogo i rechnogo flota
imeni admirala S. O. Makarova 10.6 (2018): 1255-1263. DOI: 10.21821/2309-5180-2018-10-6-1255-1263.
ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИЯ ПОДДЕРЖАНИЯ ЖИЗНИ В ЗАМКНУТОМ ПРОСТРАНСТВЕ
М. И. Клюшенкова, В. И. Назаров, А. П. Попов
НИЦ «Курчатовский институт» — ИРЕА, Москва, Российская Федерация
Рассмотрены проблемы поддержания жизни в замкнутом пространстве подводных лодок. Проведен анализ электролитического способа получения кислорода. Даны рекомендации по усовершенствованию системы обеспечения персонала лодки кислородом. Дана блок-схема получения кислорода с использованием в качестве электролита 15-20-процентного раствора карбоната калия, что позволяет организовать энергоэкономичную замкнутую схему. Утилизации в этой схеме подлежат газы: водород и диоксид углерода, поступающие на синтез метанола. На существующих подводных лодках, где используются аналогичные технологии производства кислорода, синтез метанола проводят на твердом медно-цинко-вом катализаторе при давлении 3,6 МПа и температуре 270 °С. В данной работе предлагается заменить двухфазную систему синтеза метанола на трехфазную, более экономичную: синтез метанола проводить в реакторе, заполненном инертной углеводородной высококипящей жидкостью, в которой во взвешенном состоянии находится медно-цинковый катализатор, что создает большую поверхность контакта с синтез-газом и обеспечивает выход метанола за один цикл на 15-20 % выше, чем в двухфазной системе (4-5 %). Наличие углеводородной жидкости и ее циркуляция (реактор — котел — утилизатор) позволяет проводить синтез метанола в автотермичном режиме. Снижение гидравлического сопро-
Х^ОРСКОГО И РЕЧНОГО ФЛОТА ИМЕНИ АДМИРАЛА С. О. МАКАРОВА
тивления в реакторе позволяет уменьшить уровень давления и проводить синтез при давлении 3 МПа. С учетом того, что процесс синтеза проходит в замкнутом объеме, практически нет износа катализатора. Трехфазная система экологически безопасна при использовании ее в системе жизнеобеспечения подводной лодки. Представлена блок-схема трехфазной технологии синтеза метанола, разработаны конструкции основных аппаратов: реактор синтеза, теплообменное и конденсационное оборудование.
Ключевые слова: замкнутые системы, жизнеобеспечение, электролиз, кислород, диоксид углерода, водород, метанол, синтез, катализатор, реактор, водный объект.
Клюшенкова М. И. Техника и технология поддержания жизни в замкнутом пространстве / М. И. Клю-шенкова, В. И. Назаров, А. П. Попов // Вестник Государственного университета морского и речного флота имени адмирала С. О. Макарова. — 2018. — Т. 10. — № 6. — С. 1255-1263. DOI: 10.21821/23095180-2018-10-6-1255-1263.
Существуют три проблемы поддержания жизни в замкнутом пространстве подводных лодок: проблема содержания необходимого для дыхания количества воздуха, проблема чистой воды и проблема обеспечения определенной температуры в отсеках лодки.
Химический состав воздуха имеет важное гигиеническое значение, так как играет решающую роль в осуществлении дыхательной функции организма человека. Атмосферный сухой воздух представляет собой смесь кислорода, азота, углекислого газа, аргона и других инертных газов в соотношениях, приведенных в табл. 1 [1], [2]. Влажность вдыхаемого воздуха не должна быть повышенной [3].
Состав атмосферного и выдыхаемого человеком воздуха
Наименование газа Содержание в воздухе (% от объема)
Кислород 20,94 15,4-16,0
Углекислый газ 0,04 3,4-4,7
Азот 78,08 — 78,26
Аргон, гелий, неон, криптон, ксенон, водород, озон, радон 0,94 — 0,94
Кислород (О2) — наиболее важная для человека составная часть воздуха. В состоянии покоя человек обычно поглощает в среднем 0,3 л кислорода в 1 мин. При физической деятельности потребление кислорода резко возрастает и может достигать 4,5-5,0 л и более в 1 мин. Колебания содержания кислорода в атмосферном воздухе невелики и не превышают, как правило, 0,5 %. Обычно физиологические сдвиги наблюдаются у человека при снижении содержания кислорода при дыхании до 16-17 %. Если его содержание уменьшается до 11-13 %, то появляются ярко выраженная кислородная недостаточность, резкое ухудшение самочувствия и снижение работоспособности. Содержание кислорода до 7-8 % может привести к смертельному исходу. Углекислый газ (СО2), образующийся при дыхании и накапливаемый в замкнутом пространстве, наносит человеку вред. При продолжительном вдыхании воздуха с содержанием 1,0-1,5 % углекислого газа отмечается ухудшение самочувствия, а при 2,0-2,5 % в организме обнаруживаются паталогические сдвиги. Значительные нарушения функций организма и снижение работоспособности происходят, когда содержание углекислого газа составляет 4-5 %. При содержании 8-10 % происходит потеря сознания и смерть. Значительное повышение углекислого газа в воздухе может возникнуть при аварийных ситуациях в замкнутых пространствах подводных лодок.
Проблема подачи чистой воды решается следующим образом: на большинстве подводных лодок установлены дистилляционные аппараты, которые опресняют морскую воду. Эта вода используется главным образом для охлаждения электроприборов, приготовления пищи и личной
ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА В
МОРСКОГО И РЕЧНОГО ФЛОТА ИМЕНИ АДМИРАЛА С. О. МАКАРОВА,
гигиены персонала. Поддержание определенной температуры в отсеках лодки возможно за счет съема внутреннего тепла морской водой. Для поддержания благоприятной положительной температуры для экипажа объем лодки необходимо обогревать. Электропитание для обогрева может поступать с ядерных реакторов, дизельных двигателей или батарей.
Целью данной работы является совмещение и усовершенствование двух технологий: регенерации воздуха для дыхания и получения метанола при утилизации углекислого газа с целью создания современной, энергоэкономичной и эффективной технологии жизнеобеспечения в замкнутом пространстве подводной лодки.
Методы и материалы (Methods and Materials)
Анализ технологий получения кислорода. Современная подводная лодка обычно находится в погруженном состоянии в течение длительного времени и не может обновлять свой внутренний воздух. В связи с этим должна быть создана замкнутая система жизнеобеспечения, в которой выработка кислорода может осуществляться за счет физико-химических процессов [1] или биологических (последний используется для космических станций [4]).
Кислород можно получать за счет химических реакций (ХР), основанных на эффекте разложения хлората, перхлората, перекиси водорода или пероксида натрия. Широкое применение нашла реакция получения кислорода высокой степени очистки при разложении перекиси водорода с помощью перманганатного катализатора (KMnO4) [5]:
2Н2О2 ^ 2Н2О + О2|. (1)
Возможно термохимическое разложение твердых кислородсодержащих соединений, например, хлората натрия. При многих химических реакциях кислород выделяется в незначительных объемах и используется на объектах с низким энергообеспечением. Увеличение объемов возможно при электролитическом получении кислорода из воды. Основным аппаратом при электролизе является камера с катодом и анодом, разделенная диафрагмой. Щелочные электролизеры воды (ЩЭВ) работают до температуры 120 °С. На электрические характеристики ЩЭВ оказывают влияние плотность тока, давление и температура. В России выпускают электролизеры на АО «Урал-химмаш», но они имеют устаревшую конструкцию. Модернизация идет по пути внедрения новых электродных материалов, позволяющих снизить энергопотребление. В Российской Федерации для стратегических отраслей промышленности часто закупают электролизеры у фирмы Hydro-genics (Бельгия), имеющие следующие технические характеристики: удельное энергопотребление — не выше 4,3 кВтч/нм3 выделяемого Н2 (отечественные электролизеры потребляют 5,5 кВтч/нм3); сила тока — 400-1000 мА/см2; напряжение — 1,6-1,9 В; рабочие температуры — 100-120 °С; давление — 1-20 МПа. В Российской Федерации ведутся работы по созданию высокоэффективных электролизеров с энергопотреблением 4,2-4,8 кВтч/нм3. Эта проблема может быть решена посредством разработки новых электродов с эффективными и дешевыми катализаторами. В НИУ «МЭИ» создан и запатентован метод изготовления композитных электродов с пористым никелевым покрытием [6].
Современные диафрагмы для электролиза представляют собой губчатую пористую матрицу из щелочестойкого полимера полисульфонового ряда с частицами наполнителя (диоксида титана или полисурьмяной кислоты). Наполнители могут быть изготовлены на основе субмикронных и наноразмерных волокон [7].
Безотходная технология обеспечения кислородом в замкнутых системах. Предлагаемая технология жизнеобеспечения кислородом в условиях подводной лодки должна решить следующие задачи:
— создание искусственной воздушной среды, близкой по составу и основным свойствам к атмосферному воздуху, для чего необходима генерация кислорода;
— удаление из воздуха диоксида углерода и его утилизация;
— на базе водорода и диоксида углерода получение водного раствора метанола, который можно сбросить в водную среду.
На рис. 1 представлена блок-схема снабжения кислородом в системе жизнеобеспечения. Электролит приготавливают в баке 4. Первоначально в дистиллированной воде растворяют карбонат калия (ОЧ поташ). Затем электролит насосом 3 под давлением перекачивают в электролизер 5. Концентрация К2С03 — в диапазоне 15-20 %. После прохождения рабочего цикла электролит возвращается в бак 4, а затем в электролизер 5, т. е. работа ведется на оборотном потоке поташа. Раствор электролита слабощелочной. Давление в электролизере — 0,7 МПа. Под действием электрического тока на аноде идет выделение газа кислорода (О2|), а на катоде — выделение положительно заряженных ионов водорода (Н+). Ионы водорода принимают электроны, образуя газообразый водород (Н2). Помимо газов, из электролизера 5 выводятся в жидкой фазе католит (КОН) и анолит (КНСО3). В разделительных колонках 2 за счет десорбции из католита выделяют кислород, из анолита — водород. Анолит поступает в десорбер 10, нагревается до температуры 114 оС и проходит реакция разложения с выделением газа С02:
2КНСО3 ^ К2СО3 + СО2 + Н2О. (2)
Рис. 1. Блок-схема снабжения кислородом системы жизнеобеспечения: 1 — компрессор; 2 — разделительные колонки; 3 — насос подачи электролита; 4 — бак; 5 — электролизер; 6 — вентилятор; 7 — инжектор; 8 — блок доочистки воздуха; 9 — бак смешения газов; 10 — десорбер; 11 — абсорбер; 12 — насос подачи КОН;
13 — бак отработанного К2СО3
Из десорбера 10 жидкая фаза направляется в бак 13, где осуществляется сбор отработанных растворов карбоната калия. Диоксид углерода, выделяемый при десорбции, поступает в бак смешения газов 9. Кислород, выделяемый на аноде в электролизере 5, и кислород после отгонки в разделительной колонне 2 подсасываются инжектором 7 в вентиляционный воздух, поступающий из отсеков подводной лодки и содержащий повышенную концентрацию СО2. Загрязненный воздух поступает на очистку от С02 в абсорбер 11.
На стадии очистки загрязненного воздуха от СО2 в представленной блок-схеме рекомендуется вести абсорбционную очистку щелочными растворами, в частности, раствором щелочи КОН. При взаимодействии с растворами щелочей протекает необратимая реакция. Первоначально парциальное давление С02 над раствором равно нулю вплоть до полного использования щелочи КОН:
2КОН + СО2 ^ К2СО3 + Н2О.
Затем равновесное парциальное давление возрастает, образуются карбонатные соли и протекают реакции с образованием бикарбоната калия:
К2СО3 + СО2 + Н2О = 2КНСО3.
Лимитирующей стадией является реакция СО2 с ионами гидроксила ОН и НСО3 :
Выбор щелочи КОН, а не NaOH для очистки от СО2 целесообразен, так как физическая растворимость СО2 водным раствором щелочи КОН выше, чем в растворах NaOH, что предопределяет более высокую скорость абсорбции [8].
Скорость абсорбции СО2 водным раствором щелочи КОН увеличивается с ростом температу -ры. Повышение температуры с 25 до 45 оС приводит к увеличению скорости процесса на 40-50 %. При малой концентрации СО2 в газовой смеси (0,1-1,0 %) щелочная очистка лимитируется сопротив -лением в газовой фазе и обычно проводится в насадочных колоннах. При больших концентрациях (3-5 % СО2) сопротивление абсорбции сосредоточено в жидкой фазе. Увеличение концентрации щелочи в растворе снижает скорость абсорбции, поэтому раствор КОН используют с начальной концентрацией не более 10 % и конечной — 1,5 %. Как показали исследования, при давлении 0,1 МПа коэффициент массопередачи процесса абсорбции в насадочной колонне составляет не менее 20 кмоль/м3ч [8]. Давление на стадии абсорбции поддерживают равным 0,5-0,6 МПа, что позволяет без насосов транспортировать отработанный раствор в бак 4.
Очищенный воздух циркулирует внутри корабля при помощи нескольких газодувок. Контроль постоянно ведется за составом воздуха, который приходит после хемосорбции CO2 из аппарата 11 и поступает в специальные фильтры 8, где удаляются остатки CO2, влага и др. Из бака смешения газов 9 водород и углекислый газ компрессором направляют на стадию производства водного раствора метанола. Данная стадия необходима для того, чтобы сбрасывать отходящие газы в виде раствора в океан.
Анализ технологий производства метанола. Смесь газов Н2 и СО2 образует синтез-газ, кото -рый при определенном давлении 3-10 МПа и температуре 210-270 оС на медно-цинковом катализаторе вырабатывает метанол. Реакция идет с выделением достаточно большого количества тепла (50,5 кДж/моль), которое необходимо снимать в реакторе синтеза. В промышленных масштабах в мире, в том числе на подводных лодках, получение метанола проводят в основном на твердом катализаторе, т. е. в двухфазовой газовой системе. Недостатком этой системы является то, что при одноактном контакте синтез-газа с катализатором образуется 4,0-5,0 % метанола от общего объема газовой смеси, поэтому для дальнейшего повышения выхода метанола применяют многократную систему циркуляции газа. Для этого необходим циркуляционный компрессор, а для нагрева циркуляционного газа до начала реакции — дополнительный теплообменник [9], [10].
Процесс синтеза метанола можно проводить в трехфазной системе: твердый катализатор находится в инертной углеводородной жидкости, а синтез-газ проходит через нее, вступая в контакт с катализатором. Инертная жидкость используется для съема тепла реакции образования метанола. В трехфазной системе жидкая фаза обеспечивает практически изотермический процесс синтеза, а измельченный катализатор, находящийся в подвижном состоянии в жидкости, создает более полный контакт его с газовой смесью. Это предопределяет более высокий (до 15-20 %) выход метанола при одноразовом контакте.
Трехфазный синтез метанола был предложен в 1970 гг. американской компанией Chemical Systems [11]. Первый вариант этой технологии был разработан Институтом исследований по электроэнергетике США совместно с фирмой Chemical Systems. Данная технология известна под торговой маркой LPMEOH. Запатентовано несколько различных модификаций этого процесса [12].
Х^ОРСКОГО И РЕЧНОГО ФЛОТА ИМЕНИ АДМИРАЛА С. О. МАКАРОВА
Наиболее интенсивно LPMEOH-процесс разрабатывался в период 1982-2003 гг. В результате исследований были выявлены основные закономерности синтеза метанола. Отличительным признаком данной технологии является применение катализатора в форме суспензии. Был использован катализатор Си0-7п0-А1203^Ю2. Концентрация гетерогенного катализатора составляла 1030 масс. %. Имеются в наличии сообщения об эффективности модифицирования медьсодержащих катализаторов оксидом циркония. Установлено, что гетерогенный контакт Си0-7п0 при синтезе газовой смеси Н2/С02 ведет к возможности снижения уровня давления в реакторе, т. е. оптимальным становится давление 3 МПа при температуре 240-250 оС. Выход метанола за один проход может достигать 35-40 % [10]. В трехфазной системе получения метанола катализатор стабилен, а при двухфазном режиме он достаточно быстро дезактивируется.
Важным параметром каталитической суспензии является дисперсность катализатора. При уменьшении размера частиц увеличивается площадь активной поверхности катализатора, снижается сопротивление массопереносу и повышается устойчивость суспензии, а также увеличивается производительность по метанолу. Как показали зарубежные исследования, размеры частиц катализатора должны быть в диапазоне 40-70 мкм. Выбор жидкой дисперсионной среды также очень важен, так как от физических характеристик жидкости зависит массоперенос и теплообмен. Процесс синтеза исследован в инертных парафиновых средах, плотность которых должна быть меньше, чем у метанола и воды, а температура кипения — выше рабочей температуры синтеза метанола. Жидкая фаза обеспечивает автотермичность процесса синтеза, оказывает влияние на скорость реакции и даже на величину энергии активации. Наилучшими жидкими средами являются смеси из парафинов и нафтенов (65 % парафины С16-38 и 35 % нафтены). Плотность такой смеси составляет 0,849 г/см3, вязкость — 31,2 сП при 25 оС, температура кипения — 316 оС, что дает невысокую долю испарения (не более 1 % от объема жидкости) [12]-[14].
Разработка трехфазной системы синтеза метанола. Разработана блок-схема малотоннажной установки получения метанола в трехфазной системе (рис. 2).
Рис. 2. Блок-схема схема установки получения метанола: 1 — компрессор; 2 — инжектор; 3 — котел; 4 — реактор кипящего слоя; 5, 6 — теплообменники; 7 — холодильник-конденсатор; 8 — конденсационная колонна; 9,10 — насосы; СГ — синтез-газ; ССГ — свежий синтез-газ; ЦСГ — циркуляционный синтез-газ; МС — метанол-сырец; ХОВ — химически очищенная вода; ОВ — охлаждающая вода; ПВД — пар высокого давления; УВЖ — углеводородная жидкость
Свежая смесь (синтез-газ) подается компрессором 1 при давлении 3,6 МПа в инжектор 2, который подсасывает циркуляционный газ, смешиваясь со свежим газом. Далее газ подогревается в теплообменниках 5 и 6 до Т = 270 оС и поступает в реактор кипящего слоя 4, где происходит образование метанола на медно-цинковом катализаторе. До начала процесса в реактор закачивается
МОРСКОГО И РЕЧНОГО ФЛОТА ИМЕНИ АДМИРАЛА С. О. МАКАРОВА
инертная углеводородная жидкость с температурой кипения 360 оС для отвода тепла реакции. Нагретая УВЖ выводится из зоны реакции насосом 9, отдает тепло в котле 3, вырабатывающем водяной пар высокого давления, и возвращается в реактор 4. Смесь продуктов реакции синтеза и непрореагировавших синтез-газов (ЦСГ + МС) выходит из верхней части реактора 4, проходит теплообменники 5 и 6, охлаждается и поступает для конденсации в аппараты 7 и 8. После конденсации и вывода метанола-сырца непрореагировавший газ направляется в инжектор, смешивается со свежим синтез-газом и после нагрева возвращается в реактор 4. Унесенная вместе с газом УВЖ конденсируется в конденсационной колонне 8, отслаивается от метанола и насосом 10 возвращается в реактор 4.
Значительно уменьшенный рабочий объем газовой смеси может быть обеспечен циркуляцией с использованием инжектора вместо циркуляционного компрессора, что позволит существенно снизить расход электроэнергии и упросить технологическую схему производства метанола.
Образование метанола происходит с выделением тепла. Это тепло обеспечивает автотер-мичность процесса синтеза и используется в схеме для получения пара давлением до 2,7 МПа. Основные расходные показатели на тонну получаемого метанола представлены в табл. 2 [9].
Основные расходные показатели на тонну получаемого метанола
Реакция 3Н2 + СО2 = СН3ОН + Н2О
i Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
Расход электроэнергии 53 кВт
Расход воды на конденсацию 0,5 м3
Для синтеза 1 т/ч метанола требуется 1,0 м3 медно-цинкового катализатора с размерами гранул 0,5-1,0 мм. Для обеспечения псевдоожиженного движения гранул катализатора в жидком слое требуется 0,3 м3 УВЖ на 1,0 м3 катализатора, при этом скорость подачи газовой фазы должна быть выше скорости псевдоожижения гранул катализатора. УВЖ практически не расходуется, так как циркулирует в замкнутом объеме цикла синтеза метанола.
При проведении синтеза метанола Н2/СО2 кроме воды образуются диметиловый эфир до 1,6 % и высшие спирты до 1,2 %. Эти примеси выводятся вместе с образовавшимся метанолом во внешнюю среду.
Предлагаемая установка получения метанола экологически безопасна, так как весь процесс происходит в замкнутом объеме. Износ катализатора в трехфазной системе практически исключается, так как катализатор движется в жидкой среде. Для трехфазной системы применяемая объемная скорость ниже, чем для двухфазной (3000 — 6000 ч1 по сравнению с 8000 — 12000 ч1).
На основании проведенного исследования можно сделать следующие выводы:
1. Предложено заменить существующую двухфазную технологию производства метанола на трехфазную, где твердый медно-цинковый катализатор находится в инертной высококипящей углеводородной жидкости во взвешенным состоянии.
2. Трехфазная технология существенно проще двухфазной, она менее энергоемкая, за один цикл синтеза вырабатывается 15-20 % метанола-сырца.
3. Наличие циркуляции высококипящей углеводородной жидкости (реактор — котел — утилизатор) позволяет проводить синтез метанола в автотермичном режиме.
4. Процесс синтеза метанола экологически безопасен, проходит в замкнутом объеме, что практически исключает износ катализатора.
Х^ОРСКОГО И РЕЧНОГО ФЛОТА ИМЕНИ АДМИРАЛА С. О. МАКАРОВА
5. Разработано высокоэффективное оборудование для трехфазной технологии синтеза метанола, которое за счет совмещения стадий процесса позволит создать мобильную установку для жизнеобеспечения экипажа подводной лодки.
1. Гладышев Н. Ф. Системы и средства регенерации и очистки воздуха обитаемых герметичных объектов / Н. Ф. Гладышев, Т. В. Гладышева, С. И. Дворецкий. — М.: Спектр, 2016. — 203 с.
2. Клопкова Е. В. Атмосферный воздух, его физические и химические свойства, гигиеническое и экологическое значение: метод. разработка по дисциплине «Гигиена и экология человека» / Е. В. Клопкова. — Изд-во Коломенского медицинского колледжа, 2012. — 33 с.
3. Trent R. W. Кондиционирование воздуха на подводных лодках / R. W. Trent // АВОК: вентиляция, отопление, кондиционирование воздуха, теплоснабжение и строительная теплофизика. — 2003. — № 5. — С. 64-71.
4. Гительзон И. Замкнутые системы жизнеобеспечения / И. Гительзон, А. Дегерменджи, А. Тихомиров // Наука в России. — 2011. — №6 (186). — С. 4-10.
5. Мирошниченко Ю. В. Характеристика способов получения кислорода медицинского и перспективы их применения в военном здравоохранении / Ю. В. Мирошниченко, Р. А. Еникеева, Е. М. Кассу // Вестник Российской военно-медицинской академии. — 2016. — № 2 (54). — С. 157-163.
6. Кулешов В. Н. Высокоэффективные композитные катоды для щелочного электролиза воды /
B. Н. Кулешов [и др.] // Журнал прикладной химии. — 2017. — Т. 90. — № 3. — С. 327-331.
7. Кулешов В. Н. Новые диафрагменные материалы для электролизеров воды с щелочным электролитом / Н. В. Кулешов, Ю. А. Славнов, В. Н. Кулешов, С. А. Довбыш // Естественные и технические науки. — 2013. — № 6 (68). — С. 59-63.
8. Клюшенкова М. И. Защита окружающей среды от промышленных газовых выбросов: учебное пособие / М. И. Клюшенкова, А. В. Луканин. — М.: Изд-во МГУИЭ, 2012. — 144 с.
9. Продан В. Д. Малотоннажное производство метанола / В. Д. Продан, М. И. Клюшенкова, Е. И. Бо-родачева // Химическое и нефтегазовое машиностроение. — 2013. — № 7. — С. 17-18.
10. Технологии производства метанола: современные тенденции [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://www.newchemistry.ru/printletter.php?n_id=3448 (дата обращения: 01.12.2018).
11. Pat. 4031123 USA, IPC C07C 29/1512 Methanol production in a paraffinic medium / R. L. Espino, T. S. Pletzke; Chem Systems Inc. assignee. — № US4031123A; app. 21.11.1975; Pub. 21.06.1977. — 5 p.
12. Хаджиев С. Н. Slurry-технология в синтезе метанола (обзор) / С. Н. Хаджиев, Н. В. Колесниченко, Н. Н. Ежова // Нефтехимия. — 2016. — Т. 56. — № 2. — С. 95. DOI: 10.7868/S0028242116020076.
13. Загашвили Ю. В. Комплекс получения синтез-газа для малотоннажного производства метанола / Ю. В. Загашвили, В. Н. Ефремов, А. М. Кузьмин, И. И. Лищинер // НефтеГазоХимия. — 2017. — № 1. —
14. Кемалов Р. А. Технологии получения и применения метанола: учебное пособие / Р. А. Кемалов, А. Ф. Кемалов. — Казань: Изд-во КГУ, 2016. — 167 с.
^ 1. Gladyshev, N. F, T. V. Gladysheva, and S. I. Dvoretskii. Sistemy i sredstva regeneratsii i ochistki vozdukha
® obitaemykh germetichnykh ob»ektov. M.: Izdatel’skii dom «Spektr», 2016.
oo logicheskoe znachenie: met. razrab. po distsipline «Gigiena i ekologiya cheloveka». Kolomenskii meditsinskii
3. Trent, R. W. «Konditsionirovanie vozdukha na podvodnykh lodkakh.» AVOK: ventilyatsiya, otoplenie, konditsionirovanie vozdukha, teplosnabzhenie i stroitel’naya teplofizika 5 (2003): 64-71.
4. Gitel’zon, I., A. Degermendzhi, and A. Tikhomirov. «Zamknutye sistemy zhizneobespecheniya.» Nauka v Rossii 6(186) (2011): 4-10.
5. Miroshnichenko, Yu. V., R. A. Yenikeieva, and E. M. Kassu. «Characteristics of producing medical oxygen and prospects of its usage in military health care.» Vestnik of Russian military medical Academy 2(54) (2016): 157-163.
МОРСКОГО И РЕЧНОГО ФЛОТА ИМЕНИ АДМИРАЛА С. О. МАКАРОВА
6. Kuleshov, V. N., N. V. Kuleshov, S. A. Dovbysh, E. Y. Udris, Y. A. Slavnov, S. A. Grigoriev, and N. A. Yash-tulov. «High-performance composite cathodes for alkaline electrolysis of water.» Russian Journal of Applied Chemistry 90.3 (2017): 389-392. DOI: 10.1134/S1070427217020107.
7. Kuleshov, V. N., Yu. A. Slavnov, V. N. Kuleshov, and S. A. Dovbysh. «Novye diafragmennye materialy dlya elektrolizerov vody s shchelochnym elektrolitom.» Estestvennye i tekhnicheskie nauki 6(68) (2013): 59-63.
8. Klyushenkova, M. I., and A. V. Lukanin. Zashchita okruzhayushchei sredy otpromyshlennykh gazovykh vybrosov: uchebnoeposobie. M.: MGUIE, 2012.
9. Prodan, V. D., M. I. Klyushenkova, and E. I. Borodacheva. «Malotonnazhnoe proizvodstvo metanola.» Khimicheskoe i neftegazovoe mashinostroenie 7 (2013): 17-18.
10. Tekhnologii proizvodstva metanola: sovremennye tendentsii. Web. 1 Dec. 2018 .
11. Espino, Ramon L., and Thomas S. Pletzke. US 4031123 B, IPC C07C 29/1512. Methanol production in a paraffinic medium. USA assignee. Publ. 21 June 1977.
12. Khadzhiev, S. N., N. V. Kolesnichenko, and N. N. Ezhova. «Slurry-technology in methanol synthesis (Review).» Petroleum Chemistry 56.2 (2016): 77-95. DOI: 10.1134/S0965544116020079.
13. Zagashvily, Yu. V., V. N. Efremov, A. M. Kuzmin, and I. I. Lishiner. «Complex for obtaining synthesis-gas for smalltonnage production of methanol.» OIL & GAS CHEMISTRY 1 (2017): 19-26.
14. Kemalov, R.A., and A.F. Kemalov. Tekhnologii polucheniya i primeneniya metanola: uchebnoe posobie. Kazan’: Kazan. Un-t, 2016.
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
Клюшенкова Марина Ивановна —
кандидат технических наук, доцент ФГУП «Институт химических реактивов и особо чистых химических веществ Национального исследовательского центра «Курчатовский институт» 107076, Российская Федерация, Москва, ул. Богородский Вал, 3 e-mail: klyushenkova@gmail.com Назаров Вячеслав Иванович — кандидат технических наук, доцент ФГУП «Институт химических реактивов и особо чистых химических веществ Национального исследовательского центра «Курчатовский институт» 107076, Российская Федерация, Москва, ул. Богородский Вал, 3 e-mail: nazarov_vi41@mail.ru Попов Александр Павлович — младший научный сотрудник ФГУП «Институт химических реактивов и особо чистых химических веществ Национального исследовательского центра «Курчатовский институт» 107076, Российская Федерация, Москва, ул. Богородский Вал, 3 e-mail: schrei6@yandex.ru
Klyushenkova, Marina I. —
PhD, associate professor
Institute of Chemical Reagents
and Highly Pure Chemicals
of the National Research Center
3 Bogorodsky Val Str., Moscow, 107076,
Nazarov, Vyacheslav I. —
PhD, associate professor
Institute of Chemical Reagents
and Highly Pure Chemicals
of the National Research Center
3 Bogorodsky Val Str., Moscow, 107076,
Popov, Aleksandr P. —
Institute of Chemical Reagents
and Highly Pure Chemicals
of the National Research Center
3 Bogorodsky Val Str., Moscow, 107076,
Статья поступила в редакцию 10 декабря 2018 г.
Received: December 10, 2018.